硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识

Ξ硅基光波导结构与器件

刘育梁　王启明

(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083)

摘要　简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等.

关键词　硅,光波导.

引言

硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场.

硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述.

1　低损耗硅基光波导结构及工艺

1.1　外延型光波导

第15卷第1期

1996年2月

红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996

Ξ

66红外与毫米波学报15卷

最早提出的用于113～116Λm波长范围的硅光波导是外延型光波导[2],即采用常规的外延工艺在n+或p+硅单晶衬底上生长一层轻掺杂外延层.由于衬底和外延层的自由载流子浓度不同,其折射率也不同,平行于硅片表面传播的光波可以被约束在外延层中,由此而形成光波导.如果进一步采用各向异性湿法腐蚀或等离子体干法刻蚀制备成条状的脊形波导,即可实现对光波的二维限制.通常衬底掺杂浓度高于1018c m-3,外延层掺杂浓度为1014～1015c m-3.外延层亦即波导层厚度在10Λm左右.这种光波导由于利用的是自由载流子效应,衬底和波导层的折射率差仅为10-3左右,对光波的约束很不充分,导模场在重掺杂衬底中有一个很大的场分布,衬底吸收十分明显.一般外延型平板光波导的传输损耗是5～13dB c m,而脊形波导则是15～20dB c m.对于研制实际器件来说,这样大的损耗显然不适用,所以人们转向研制其它结构的光波导.

最近在研究表明[3]这种光波导的传输损耗可以降至115dB c m以下.其关键是采用较大的波导芯径.实验已证实,芯径为20Λm(h)×15Λm(w)的脊形光波导的传输损耗低于115dB c m.由于这种光波导的制作工艺简单,可以达到实用要求.

1.2　S O I光波导

SO I(Silicon on In su lato r)技术是近十年来发展起来的一项硅集成电路技术.采用SO I 结构的C M O S无并闩锁效应,源、漏寄生电容小,易形成浅结,SO I器件还具有抗瞬时辐射效应的能力,可以在高温环境下工作,因此被微电子工业界看好[4,5].

对于硅基光波导器件与回路来说,非常有意义的是SO I结构本身正好就是平板光波导结构,因此实现SO I电路和SO I光波导器件的单片集成无疑成为一种自然的想法.SO I光波导是在前述的外延型硅光波导的外延层和衬底之间夹入一层Si O2而形成的.Si O2的折射率远小于硅,它可以将其上波导层中传输的光波与衬底完全隔离开,从而消除衬底的吸收.实际上Si O2已完全取代了衬底的光学作用,所以衬底的掺杂与否已不受波导的限制.

SO I材料的生成技术主要有区熔再结晶技术(Z M R)、直接健合与背腐蚀技术(B E)和注入氧隔离技术(S I M OX)等.目前来看,Z M R2SO I光波导的损耗太大,B E2SO I光波导的顶层硅质量很好,但难以获得均匀的厚度,相对而言S I M OX2SO I是最佳的选择.典型的S I M OX2SO I的工艺过程为:在(100)单晶硅表面以200keV的能量注入118×108c m-2的氧离子.注入温度控制在600±20℃.之后在A r O2气氛中1300℃退火6h.为了波导能够与光纤匹配,还需通过外延将顶层硅厚度增至715Λm,然后再刻蚀成脊形波导.这样的SO I脊形导的传输损耗在113Λm和115Λm处都小于015dB c m[6～9].

SO I光波导的一个重要问题是单模条件.因为硅与Si O2的折射率差别非常大,所以单模平板波导的波导层仅需012～013Λm厚.如果制成脊形波导,则难于和光纤耦合.不过最近的理论和实验表明[9,10],适当条件下单模脊形波导的芯径可以达到与光纤相匹配.其根据是:这样的波导尽管在垂直于芯片表面方向上可以承载多模,但这些高阶模式在平行于芯片表面方向上并不受导.

1.3　氧化硅光波导

氧化硅光波导是在硅衬底上淀积Si O2膜后再淀积掺杂的氧化硅而形成的.Si O2掺杂后其折射率有所提高,可以形成波导,杂质主要是T i O2、GeO2、P2O5等.最初的工作主要以T i O22Si O2波导为主,以后逐渐转向GeO22Si O2波导,因为后者可以达到更低的损耗.一般